CN113557579B - 传输电流饱和的hts磁体 - Google Patents

Abstract

一种高温超导HTS磁体系统。HTS磁体系统包括HTS磁场线圈、温度控制系统、电源和控制器。HTS磁场线圈包括多个匝，该多匝包括HTS材料；以及电阻材料，将匝电连接使得可以经由电阻材料在各匝之间径向地共享电流。温度控制系统被配置为控制线圈的温度，所述温度控制系统至少包括低温冷却系统，该低温冷却系统被配置为将线圈保持在HTS材料的自场临界温度以下。电源被配置为向HTS磁场线圈提供电流。控制器被配置为使电源提供大于所有HTS材料的临界电流的电流。

Description

传输电流饱和的HTS磁体

技术领域

本发明涉及高温超导HTS磁体。具体地，本发明涉及运行这种磁体的方法、以及实施这些方法的磁体。

背景技术

超导材料通常分为“高温超导体”(HTS)和“低温超导体”(LTS)。诸如Nb和NbTi的LTS材料，是超导性可以用BCS理论描述的金属或金属合金。所有低温超导体的自场临界温度(即使在零外磁场下材料也不能超导的温度)低于约30K。BCS理论并未描述HTS材料的行为，但此类材料的自场临界温度可能约30K以上(尽管应该注意，组成和超导运行的物理差异而不是自场临界温度，定义HTS和LTS材料)。最常用的HTS是“铜酸盐超导体”——基于铜酸盐(包含氧化铜基团的化合物)的陶瓷，例如BSCCO或ReBCO(其中Re是稀土元素，通常是Y或Gd)。其他HTS材料包括铁磷族元素化物(例如FeAs和FeSe)和二硼酸镁(MgB₂)。

ReBCO通常被制造为条带，其结构如图1所示。这种条带100通常约100微米厚，并且包括基板101(通常是约50微米厚的电抛光哈氏合金)，一系列缓冲层通过IBAD、磁控溅射或其他合适的技术沉积在该基板101上，该一系列缓冲层称为缓冲堆叠102，厚度约0.2微米。外延ReBCO-HTS层103(通过MOCVD或其他合适的技术沉积)覆盖缓冲堆叠，并且通常是1微米厚。1-2微米的银层104通过溅射或其他合适的技术沉积在HTS层上，并且铜稳定剂层105通过电镀或其他合适的技术沉积在条带上，铜稳定剂层105通常完全封装条带。

基板101提供了机械主干，该机械主干可以通过生产线进料并允许后续层的生长。缓冲堆叠102需要提供双轴织构晶体模板，在其上生长HTS层，并防止元素从基板化学扩散到HTS，该化学扩散会损害其超导特性。银层104需要提供从ReBCO到稳定剂层的低电阻界面，并且稳定剂层105在ReBCO的任何部分停止超导(进入“正常”状态)的情况下提供替代的电流路径。

此外，可以制造“剥离”HTS条带，该“剥离”HTS条带缺少基板和缓冲堆叠而在HTS层的两侧都有银层。具有基板的条带将被称为“基板”HTS条带。

HTS条带可以布置在HTS电缆中。HTS电缆包括一个或多个HTS条带，经由导电材料(通常为铜)沿其长度连接这些条带。HTS条带可以被堆叠(即布置成使得HTS层平行)，或者它们可以具有一些其他的条带布置，该条带布置可以沿着电缆的长度变化。HTS电缆的显著特例是单个HTS条带和HTS对。HTS对包括一对HTS条带，布置成使得HTS层平行。在使用基板条带的地方，HTS对可以是0型(HTS层彼此面对)、1型(一个条带的HTS层面对另一个条带的基板)或2型(基板彼此面对)。包括超过2个条带的电缆可以将部分或全部条带布置成HTS对。堆叠的HTS条带可以包括各种布置的HTS对，最常见的是一堆1型对或一堆0型对(和或，等效地，2型对)。HTS电缆可以包括基板条带和剥离条带的混合。

超导磁体通过以下方式形成：将HTS电缆(或单独的HTS条带，出于本说明的目的可被视为单条带电缆)通过缠绕HTS电缆或通过提供由HTS电缆制成的线圈的部分，并将它们连接在一起布置成线圈。HTS线圈分为三大类：

绝缘的，在匝之间具有电绝缘材料(使得电流只能在“螺旋路径”中通过HTS电缆流动)。

非绝缘的，其中将各匝径向地电连接，以及沿电缆将匝电连接

部分绝缘的，其中通过使用具有高电阻(例如与铜相比)的材料或通过在线圈之间提供间歇绝缘，将匝径向连接到受控电阻。

非绝缘线圈也可以被视为部分绝缘线圈的低电阻情况。

在以下讨论中，磁体被定义为包括多个串联连接的HTS线圈。线圈之间会有电阻接头。线圈本身可能是完全超导的，或者如果由包括多段串联和并联的单独HTS条带的电缆构成，它们的电阻可能很小但非零。磁体因此将具有电感L，该电感L由其几何形状、存储的能量和匝数、以及剩余电阻R定义。因此，磁体的特征充电时间常数是L/R。

由于电流可以通过两条路径，要么围绕螺旋高电感路径，要么通过径向低电感路径，非绝缘或部分绝缘的HTS磁体通电或充电比为完全绝缘的线圈通电更复杂。当线圈完全超导时，螺旋路径的电阻可以忽略不计，而径向路径是有电阻的。通电期间(即：通过从电源向端子施加电压以驱动传输电流来使线圈倾斜)，感应电压将驱动电源电流中的一些进入径向路径，该感应电压通过改变螺旋路径中的电流而产生。电流的精确分流可以如本领域已知的那样计算。如果增加斜率，更多的电流流过径向路径，导致产生更多的热量。在大型线圈中，最大斜率将由可用的冷却电力设置，即：在倾斜期间由径向电流流动引起的加热不能导致线圈的温度升高太多以至于变成非超导。

倾斜后，电源电压下降到仅驱动电流通过磁体的螺旋路径的残余电阻所需的水平。然后磁体进入“稳定阶段”，在此期间磁体维持工作电流足够长的时间以使磁场稳定。

磁场中的不稳定性源自磁体中感应的寄生电流(除了期望的传输电流之外)，该寄生电流每个都对磁体的磁场有贡献。这些电流分为三种类型：

“涡流”，这是在非超导(“正常”)组件中感应出的闭环电流。

“耦合电流”，这是在附近的超导组件中感应出的闭环电流，该超导组件通过正常介质连接——这些电流沿着一个超导元件流动，通过正常介质，然后沿着其他超导元件流动，并返回正常介质以完成循环。

“屏蔽电流”，也称为“磁滞电流”，它是只在超导材料中流动的闭环电流。

短语“闭环电流”是指电流完全在指定材料内流动，并且不会在电源或电流引线处开始或终止。

在“稳态”应用中，由于他们穿过的材料的电阻，磁体的磁场不会快速变化，涡流和耦合电流将快速衰减(指数地，时间常数量级为几秒)。然而，屏蔽电流将无限期地持续存在，并且在长时间内发生变化(时间常数量级为几分钟、几小时甚至几个月)。屏蔽电流还取决于磁体的斜升历史——这是指快速提升的磁体对缓慢提升的同一个磁体将具有不同的屏蔽电流(因此不同的磁场质量)，并且被配置为产生从零电流状态上升的5T的磁体对从先前稳定的3T状态上升的同一个磁体将具有不同的磁场质量。

因此，由超导磁体产生的磁场取决于其先前的倾斜历史。通过将磁体温度升高到超导转变温度以上，可以将磁体重置为没有屏蔽电流的原始状态。

由于超导丝的大尺寸允许形成更大的屏蔽电流，屏蔽电流的影响在使用ReBCO或BSCCO条带的HTS磁体中特别明显。由屏蔽电流产生的污染磁场“屏蔽磁场”是现有HTS条带和线圈技术在需要高磁场均匀性和稳定性的应用中应用的一个严重问题，例如核磁共振(NMR)和磁共振成像(MRI)。

有多种方法可以减小屏蔽电流的影响。第一种是以振荡的方式使磁体上下倾斜，幅度减小。这会扰乱屏蔽电流(即：它会在每个条带内产生许多回路电流)。剩余电流趋于彼此抵消，减少了净屏蔽磁场污染。一种相关的方法是从单独的源施加振荡磁场(称为“振动磁场”)。然而，两种方法都耗时、复杂，并且残留的屏蔽磁场污染仍然保持在对于敏感的NMR测量来说太大的水平。

应对剩余屏蔽电流磁场的当前解决方案是“匀场”。磁体匀场的过程包括测量磁场偏差，然后叠加相等且相反的校正磁场。校正磁场的源可以是独立通电的线圈或线圈阵列(电阻或超导)，也可以是磁化元件阵列，例如铁板或永磁体。由于可以通过改变匀场线圈中的电流来调整校正磁场的幅度，前一种方法称为“主动”匀场，而由于校正磁场是固定的且无法调整，后者是“被动”匀场。由于屏蔽电流随时间变化，因此在超导磁体的整个使用寿命期间可能需要多次重复匀场过程。

由屏蔽电流产生的磁场及其稳定时间也可以通过阻尼振荡倾斜算法来减少。在这种情况下，传输电流升高到高于目标值的百分比X％(例如10％)，然后降低到低于目标值的百分比Y％，其中Y＜X，(例如8％)，然后升高到高于目标值的Z％，其中Z＜Y＜X(例如6％)，依此类推定义的步骤数，直至达到目标值。这种方法减少了屏蔽电流的影响，但并没有完全消除它们。由于目标电流必须设置为低于磁体中的最低临界电流值，它还降低了可达到的最大磁场。在一些应用中，例如粒子加速器，磁场必须单向倾斜，排除了这种磁场振荡。

通常，用于NMR或MRI的HTS磁体将需要上述所有校正方法的结合，以实现磁场空间均匀性和时间稳定性(统称为“磁场质量”)。

因此，需要一种更好的方法来减少或理想地消除HTS磁体中的屏蔽电流。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种高温超导HTS磁体系统。HTS磁体系统包括HTS磁场线圈、温度控制系统、电源和控制器。HTS磁场线圈包括多个匝，该多匝包括HTS材料；以及电阻材料，将匝电连接使得可以经由电阻材料在各匝之间径向地共享电流。温度控制系统被配置为控制线圈的温度，所述温度控制系统至少包括低温冷却系统，该低温冷却系统被配置为将线圈保持在HTS材料的自场临界温度以下。电源被配置为向HTS磁场线圈提供电流。控制器被配置为使电源提供大于所有HTS材料的临界电流的电流。

根据第二方面，提供了一种运行高温超导HTS磁场线圈的方法。HTS磁场线圈包括多个包括HTS材料的匝，以及将匝电连接的电阻材料，使得电流可以经由电阻材料在各匝之间径向地共享。向HTS磁场线圈提供电流，使得HTS磁场线圈的传输电流大于所有HTS材料的临界电流。控制HTS磁场线圈的温度。

根据第三方面，提供了一种确定高温超导HTS导体的临界表面的方法。HTS导体形成为HTS磁场线圈，该HTS磁场线圈包括包含多个匝，该匝包括HTS导体；以及电阻材料，将匝电连接使得可以经由电阻材料在各匝之间径向地共享电流。以大于所有HTS导体的临界电流的传输电流运行HTS磁场线圈。在HTS磁场线圈上的一个或多个点测量温度。测量由磁场线圈产生的磁场。根据所述测量确定HTS导体的临界表面。

根据第四方面，提供了一种高温超导HTS磁体系统。HTS磁体系统包括多个HTS磁场线圈、温度控制系统、电源和控制器。每个HTS磁场线圈包括多个匝，该多匝包括HTS材料；以及电阻材料，将匝电连接使得可以经由电阻材料在各匝之间径向地共享电流。温度控制系统被配置为控制每个线圈的温度，温度控制系统至少包括低温冷却系统，该低温冷却系统被配置为将每个线圈保持在HTS材料的自场临界温度以下。电源被配置为向HTS磁场线圈提供电流。控制器被配置为：

使所述电源向每个磁场线圈提供比所述HTS磁场线圈中所有HTS材料的临界电流大的电流；

使温度控制系统调节每个HTS线圈的温度，从而调节每个HTS线圈对磁场的贡献。

根据本发明的第五方面，提供了一种高温超导HTS磁体系统。HTS磁体系统包括多个HTS磁场线圈，HTS磁场线圈各自包括多个包括HTS材料的匝，以及将匝电连接的电阻材料，使得电流可以经由电阻材料在各匝之间径向地共享。向HTS磁场线圈中的每个提供电流，使得HTS磁场线圈的传输电流大于所有HTS材料的临界电流。通过控制HTS磁场线圈中的每一个的温度来控制HTS磁体系统。

附图说明

图1是HTS条带的示意图；

图2显示了对维持在77K的部分绝缘HTS线圈的提升测试的结果；

图3显示了对维持在40K的部分绝缘HTS线圈的提升测试的结果；

图4显示了在各种起始温度下对HTS线圈执行的提升测试的结果；

图5是示例性HTS磁体系统的示意图。

具体实施方式

HTS磁体中出现屏蔽电流是因为传输电流I小于线圈的大部分中的导体的临界电流I_C。在给定瞬时环境条件(例如温度、外部磁场)的情况下，临界电流I_C是HTS导体在超导时可以承载的最大电流。因为磁场、温度和HTS导体本身通常不均匀，因此磁体上的临界电流会发生变化。相比之下，HTS导体的“峰值临界电流”是该导体在绝对零温度、零应变和零外部磁场(即理想条件下)下可以承载的电流-这有时简称为文献中的“临界电流”，但此处未使用该含义。

目前，超导磁体的运行使得传输电流小于磁体线圈的任何部分的最小临界电流，以防止电流从HTS导体泄漏。这样做是因为HTS导体的任何电流泄漏将产生热量(由于电流现在流过电阻材料)，这反过来将局部升高HTS导体的温度，进一步降低临界电流，并可能启动可能导致失超的反馈循环(HTS材料加热到它在“热点”不再超导的点，并且磁体将其能量倾泻到非超导区域——除非得到缓解，通常会对磁体造成损坏)。重要的是要注意，由线圈制成的磁体与多带电缆可以在局部热点稳定运行，在这些热点中，电流在单个带中的局部缺陷周围偏离。

大部分磁体将具有小于1的“分数”(传输电流和临界电流之间的比率，I/I_C)，这在HTS中提供“备用”电流容量，该电流容量被部分或全部屏蔽电流占用。随着时间的推移，如果传输电流保持稳定，这些将达到平衡——但这通常会在很长一段时间内发生(量级为几分钟到几个月)，部分原因是屏蔽电流流过零电阻介质。

本公开的提议是在不同的状态下运行HTS磁体线圈——传输电流不是低于线圈的最小临界电流，而是大于线圈的最大临界电流(在整个运行期间)。结果，线圈中所有超导材料都具有统一的运行系数，这意味着屏蔽电流被排除在外(没有“备用(spare)”超导容量)。该状态在本文中将被称为“饱和”状态。关于HTS磁体的传统观点认为这是一个糟糕的想法——所有的线圈实际上都是一个大热点，电流泄漏到整个线圈的磁体的电阻组件中并导致线圈升温，需要额外的冷却没有实际利益。然而，已经发现如果匝对匝电阻足够低、线圈的热导率足够高以及如果提供足够的冷却以抵消由于电流泄漏到正常部件中而引起的加热，则是可能的。作为结果，产生了几个有利的特征，使HTS磁体能够在不受屏蔽电流影响的情况下运行，具有更均匀的失超条件(力和温度)，从导体产生最大可能的磁场，并具有简单的控制机制。

新的运行模式仅适用于部分绝缘(或非绝缘)线圈。当部分绝缘线圈中的电流离开HTS导体时，它最初将沿平行于HTS的螺旋路径流过磁体的电阻组件(即HTS条带的稳定层，以及连接匝的任何电阻组件)。然而，由于非超导螺旋路径的高电阻，这种螺旋路径流过将快速衰减到径向路径(即径向流过电阻组件)。这意味着，当在饱和状态下运行时，线圈产生的磁场仅取决于线圈的形状和线圈内HTS的临界电流——因为流过电阻元件的径向电流将对磁场的贡献不大。

HTS的临界电流反过来取决于：

HTS的温度；

HTS的外部磁场(即磁场不是由于HTS中的电流引起的)；

HTS的应变。

所有这些因素都会因线圈而异。

对于与其他可变磁场源隔离的磁体，线圈每匝的外部磁场将仅取决于由其他每匝产生的磁场，并且如果磁体也与其他可变应变源隔离，则条带上的应变仅取决于由磁体产生的磁场引起的应变。

图2示出了在进入统一运行分数状态时使用一对所有匝焊接在一起的条带缠绕的小型非绝缘扁平线圈的行为，温度通过液氮浴保持在77K。电源单元(PSU)电流(上图)从0上升到400A，并且当它达到约200A时，线圈的HTS变得饱和——中心磁场(中间)趋于平稳，并且线圈两端的电压(底部)开始随着PSU电流上升。在提升的其余时间期间以及随后的倾斜下降期间，中心磁场保持大致恒定，直到传输电流降到约200A以下并且线圈不再饱和。

图3显示了在磁体上执行的类似测试的结果，该磁体包括一对扁平线圈的线圈，该线圈通过低温冷却器进行传导冷却，并通过温度控制系统来进行控制，该温度控制系统被配置为将线圈的温度保持在40K。在提升期间，线圈的磁场增加直到达到约1.1kA的电流。在此之上，磁场保持大致稳定，直到PSU电流超过约2.6kA，在此阶段温度控制系统被由径向电流泄漏引起的过多热量淹没。线圈的温度逐渐升高，使线圈临界电流减小，并且由线圈产生的磁场减弱。这在约1000秒内以稳定的方式发生，直到线圈的自场临界温度和磁场达到零。然后电源被关闭。

图4显示了同一磁体的几个倾斜的图，温度控制系统被配置为将线圈分别维持在基础温度(加热器关闭)、20K、30K和40K，直到线圈饱和(此时它们在由电源提供的过大电流下加热，该线圈继续提升)。中心磁场-线圈的温度(B-T)图中显示了提升。在每种情况下，倾斜开始于低磁场(基本竖直线的底部)，并且磁场随着传输电流的增大而增加，同时保持低于HTS的临界电流。在图的上部分中，传输电流开始使HTS饱和，并且随着线圈进入饱和状态，磁场“翻转”。在这种情况下，显示的每个测试都遵循中心磁场(B)和线圈的温度(T)之间相同的BT关系，而不管线圈的倾斜历史和提供的电流的确切值(每张图的右侧极端处的“回路”是测试结束导致的伪像(artefact))。之所以没有任何磁滞效应，是因为中心磁场完全由线圈中HTS的临界电流确定，不受典型情况下可能存在的屏蔽电流的干扰。

温度将倾向于通过磁体而变化——例如临界电流较低的区域会经历更多的通过附近的电阻材料的电流，因此会产生更多的热量，并且冷却将取决于形成线圈的材料的热导和冷却系统的布局，但在一致的温度分布中通常会导致这种模式。

如果选择一个特征温度来表示整个磁体的温度分布(例如磁体上特定点的温度，或几个这样的点的平均温度)，则可以显示(并通过实验证明，见图4)在饱和状态下由磁体产生的磁场仅取决于该温度。

如图4所示，虽然HTS材料在整个磁体中保持超导(即HTS的最小临界电流不会降至0)，但特征温度与磁场强度之间的关系是：温度的升高导致磁场减少。

在饱和模式下运行时，HTS磁体的磁场可以通过将线圈从低温(最大磁场)加热到磁体的临界温度(零磁场)来单调减少。磁场扫描速度dB/dt由升温速度dTmagnet/dt设置。在这种情况下，磁场的变化速度可以比磁体的电磁时间常数τ＝L/R快，其中L是磁体的电感，而R是径向电阻，通常非常长。在这种情况下，磁体储存的能量在线圈中以热量的形式消散，并且允许的最大磁场扫描速度完全由热设计决定(即温度能变化多快)。类似地，通过快速冷却磁体并同时提供多余的电源电流使得磁体保持在饱和状态，可以为磁场的单调增加实现加速的场扫描速度。

在这种状态下运行时，线圈中没有屏蔽电流，因此改变磁场的唯一延迟是磁体加热或冷却所需的时间，以及电阻螺旋路径中的电流衰减到径向路径所需的时间。这两个时间都是可以通过适当的热线圈和电线圈设计来控制的参数，并且在所示示例中，在20K时具有数十分钟的时间刻度。

因此可以通过监测磁体的特征温度或直接监测磁场并加热或冷却磁体以实现期望的磁场来控制磁体。加热磁体将减小HTS的临界电流，从而减小磁场强度，而冷却磁体将增大HTS的临界电流，从而增大磁场强度。

在仅监测温度的情况下，特征温度与磁场之间的关系可以基于预先校准的查找表或公式来确定。应当理解，无论是用于将测量的温度与瞬时磁场相关联并确定瞬时磁场与期望的磁场之间的差值，还是用于将期望磁场与期望温度相关联并确定期望的温度和测量的温度之间的差值，磁体的控制都是等效的。

磁体的加热可以通过增大传输电流(从而导致更多的电流进入磁体的电阻部分)、通过使用与线圈热接触的提供的专用加热器、或通过减小由磁体的低温冷却系统提供的冷却(例如流速)来实现。磁体的冷却可以通过增大低温冷却系统的冷却、或通过减小传输电流(同时仍保持在饱和范围内)或提供给加热器的电力来实现。

在上面提到的第一种情况下(通过增大传输电流加热磁体)，将注意到结果非常不直观，即：增加磁场将减小电源电流，反之亦然。当磁体在饱和状态下运行时才会出现这种情况。

实施反馈系统以通过加热和冷却来控制测量的温度/磁场——即，当测量的温度太高或测量的磁场太低时，磁体被冷却(或施加的热量减少)，而当测量的温度太低或磁场太高时，磁体被加热(或施加的冷却减少)。本领域已知的任何合适的反馈方案都可以用于此目的。

当使用磁场监测操作时，即使在磁体上的外部应变和/或磁场可变的情况下，也可以使用上述控制方案。如果包括应变和/或磁场传感器，并且查找表或公式包含用于说明应变和/或磁场影响的术语，这也可以通过温度监测来完成。备选地(在恒定或可变背景磁场情况下)，可以使用温度和期望的磁场之间的查找表来获得所需加热的初始估计，然后基于监测的磁场的反馈回路用于达到期望的磁场。

在饱和状态下运行时，磁场稳定性仅由HTS临界电流的稳定性确定——即，由外部磁场、应变和温度的稳定性确定。

对于多线圈系统，同样的原理适用——每个单独的线圈都可以在饱和模式下运行。此外，可以基于磁场的空间分布测量，通过独立控制每个单独线圈的温度来控制磁场的均匀性。控制反馈回路将更加复杂——传感器阵列的放置方式允许确定由所有线圈产生的磁场的均匀性，然后可以单独控制每个线圈的温度以通过调整由每个单独线圈贡献的磁场来调整磁场。磁场的形状可以使用空间谐波的加权方便地描述，例如勒让德多项式，如在匀场的现有技术中所述。然而，存在许多其他确定场均匀性的方法。

应该注意的是，要调整一组串联线圈的磁场均匀性，有必要独立调整每个线圈的贡献。这不能通过调整传输电流来实现，这会影响在饱和模式下运行的所有线圈的温度。因此有必要独立调节每个线圈的温度。因此，线圈需要至少部分地彼此热隔离。然后可以通过控制每个线圈的冷却或向每个线圈添加额外的热量(例如，使用加热器)来调节它们的温度。

备选地，磁体可以具有在常规状态下运行的线圈和在饱和状态下运行的线圈的混合，后者被调整以确保磁场均匀性。

虽然以上是指磁场均匀性，但可以理解的是，在需要时可以通过调整磁线圈来实现其他磁场分布。

饱和状态还提供了一种测试HTS条带的质量的便捷方法——对于给定的线圈的温度、环境和线圈几何形状，磁场完全由HTS条带的临界电流确定——因此可以通过测量在饱和状态下在不同温度下运行的由这种条带的线圈产生的磁场并确定临界电流响应来测试HTS条带。磁场提供了对整个线圈中条带的整体临界电流密度的测量——进一步的磁场传感器可用于确定临界电流如何通过线圈变化，从而获得HTS条带的临界表面(条带中临界电流的温度和/或磁场变化的分布)。在具有未知临界电流的HTS的饱和状态下运行将需要首先确定临界电流的估计值或上限，或者简单地提供非常高的传输电流，使得临界电流不可能低于传输电流。备选地，可以增大线圈传输电流，直到观察到饱和状态的温度/磁场关系特性(即图4中所示的“翻转”)，然后在线圈的温度升高到自场临界温度时进行测量，以确定整体临界电流和/或临界表面(即临界电流随温度、场和应变的变化)。

与在传统状态下运行相比，在饱和状态下运行将增大失超的可能性——如果冷却系统不能抵消磁体的任何部分中的电阻材料中的电流产生的额外热量，那么热失控可能发生。但是，由于所有HTS都将在饱和状态下运行，因此它们都同样容易受到热失控的影响(即热裕度是均匀的)。这意味着任何失超都会快速传播，导致磁体的能量在整个磁体体积内倾泄。这将导致比传统运行的HTS磁体中的失超造成的损坏少得多，其中热点往往只是磁体的一小部分，然后除非采取对策，否则所有磁体存储的能量都会倾泄其中。饱和HTS磁体的最小失超能量仍会比等效的LTS磁体高得多，从而允许HTS磁体以HTS的许多优点运行，同时还具有LTS磁体失超期间的弹性。总之，在新状态中失超的可能性更大，但失超造成的损坏的可能性较小。

新状态适用于任何非绝缘或部分绝缘的线圈。可以通过在线圈之间提供具有高导电性和高导热性的材料(以减少过电大流引起的热量，并增强将该热量传输到冷却系统的能力)来优化线圈在新状态中的性能，但这些不是绝对必要——在饱和状态下运行具有较低导电性和导热性的线圈同样有效，并提供额外的冷却电力以确保线圈不会失超。这将导致整个线圈的温度梯度——但如前所述，这不会改变温度/磁场关系的可预测性，假设为线圈的温度分布选择了代表性温度。

图5显示了使用上述控制方案的示例性HTS磁体系统。该系统包括两个部分绝缘的线圈501，形成双扁平线圈，每个线圈由温度传感器502和磁场传感器503监测。双扁平线圈的侧面设置有冷却板504，以保证HTS线圈的良好导热，并设置加热器505对线圈进行加热。HTS磁体系统具有向HTS线圈提供传输电流的电源(未示出)和控制器(未示出)，该控制器从温度传感器502和磁场传感器503接收输入并且通过使用加热器505控制温度、通过调节PSU电流(同时将磁体保持在饱和状态)来调整磁场强度。

Claims (20)

1.一种高温超导HTS磁体系统，包括：

HTS磁场线圈，包括：

多个匝，包括HTS材料；

电阻材料，将匝电连接，使得能够经由所述电阻材料在各匝之间径向地共享电流；

温度控制系统，被配置为控制所述线圈的温度，所述温度控制系统至少包括低温冷却系统，所述低温冷却系统被配置为将所述线圈保持在所述HTS材料的自场临界温度以下；

电源，被配置为向所述HTS磁场线圈提供电流；

控制器，被配置为：

使所述电源提供比所有HTS材料的临界电流大的电流；以及

使所述温度控制系统调节所述HTS磁场线圈的温度，从而调节所述HTS磁场线圈的磁场强度。

2.根据权利要求1所述的HTS磁体系统，包括：

传感器，被配置为测量所述线圈的温度和/或由所述线圈产生的磁场；

其中，使所述温度控制系统调节所述HTS磁场线圈的温度从而调节所述HTS磁场线圈的磁场强度包括：

监测来自所述传感器的读数以便确定所述线圈的磁场强度；

使所述温度控制系统，在所述线圈的所测量的磁场强度小于所述线圈的期望的磁场强度的情况下降低所述线圈的温度，以及在所述线圈的所测量的磁场强度大于所述线圈的期望的磁场强度的情况下升高所述线圈的温度。

3.根据权利要求2所述的HTS磁体系统，其中，所述温度控制系统包括所述电源，并且被配置为：通过增大提供给所述HTS磁场线圈的电流来增大所述HTS磁场线圈的温度，以及通过减小提供给所述HTS磁场线圈的电流来减小所述HTS磁场线圈的温度，使得提供的电流维持大于所有HTS材料的临界电流。

4.根据权利要求2或3所述的HTS磁体系统，其中所述温度控制系统包括与所述HTS磁场线圈热接触的加热器。

5.一种运行高温超导HTS磁场线圈的方法，所述HTS磁场线圈包括多个匝、以及将匝电连接的电阻材料，使得能够经由所述电阻材料在各匝之间径向地共享电流，其中，所述多个匝包括HTS材料；所述方法包括：

向所述HTS磁场线圈提供电流，使得所述HTS磁场线圈的传输电流大于所有HTS材料的临界电流；

控制所述HTS磁场线圈的温度从而调节所述HTS磁场线圈的磁场强度。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括：

监测以下项之一：

所述HTS磁场线圈的温度；

由所述HTS磁场线圈产生的磁场；

其中，控制所述HTS磁场线圈的温度从而调节所述HTS磁场线圈的磁场强度包括：

根据所述监测的结果来确定所述线圈的磁场强度；

当所测量的磁场强度小于所述HTS线圈的期望的磁场强度时，降低所述线圈的温度；

当所测量的磁场强度大于所述HTS线圈的期望的磁场强度时，增大所述线圈的温度。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，增大所述HTS磁场线圈的温度包括以下操作中的一项或多项：

增大提供给加热器的电力，所述加热器与所述HTS磁场线圈热接触；

减小由所述HTS磁场线圈的冷却系统提供的冷却；以及

增大提供给所述HTS磁场线圈的电流。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，减小所述HTS磁场线圈的温度包括以下操作中的一项或多项：

减小提供给加热器的电力，所述加热器与所述HTS磁场线圈热接触；

增大由所述HTS磁场线圈的冷却系统提供的冷却；以及

减小提供给所述HTS磁场线圈的电流，使得所述电流在所有HTS材料中维持大于所述HTS材料的临界电流。

9.一种HTS磁体系统，包括：

HTS磁场线圈，包括：

多匝HTS材料，由电阻材料分开，所述电阻材料足够地导电以允许在各匝之间径向地共享电流；

温度控制系统，包括冷却系统，所述冷却系统被配置为将所述HTS磁场线圈的温度保持在所述HTS材料的自场临界温度以下；

电源，被配置为向所述HTS磁场线圈提供电流；以及

控制器，被配置为：

使所述电源提供足够高的电流以使所述线圈中的HTS材料饱和，使得所述HTS材料全部以所述HTS材料的临界电流运行；

通过增大由所述电源提供的电流来减小由HTS磁场线圈产生的磁场，以及通过减小由所述电源提供的电流来增大由所述HTS磁场线圈产生的磁场。

10.一种高温超导HTS磁体系统，包括：

多个HTS磁场线圈，各自包括：

多个匝，包括HTS材料；

电阻材料，将匝电连接，使得能够经由所述电阻材料在各匝之间径向地共享电流；

温度控制系统，被配置为控制每个线圈的温度，所述温度控制系统至少包括低温冷却系统，所述低温冷却系统被配置为将每个线圈保持在所述HTS材料的自场临界温度以下；

电源，被配置为向所述HTS磁场线圈提供电流；

控制器，被配置为：

使所述电源向每个磁场线圈提供比所述HTS磁场线圈中所有HTS材料的临界电流大的电流；

使所述温度控制系统调节每个HTS线圈的温度，从而调节每个HTS线圈对磁场的贡献。

11.根据权利要求10所述的磁体系统，包括磁场传感器阵列，所述磁场传感器阵列被配置为测量由所述多个HTS磁场线圈产生的磁场；其中，所述控制器还被配置为：

根据所测量的磁场确定所述HTS磁体系统的磁场分布；

使所述温度控制系统调节每个HTS线圈的温度，以便实现期望的磁场分布。

12.根据权利要求10或11所述的磁体系统，其中，所述电源被配置为向每个HTS磁场线圈提供相同的电流，并且其中，所述控制器被配置为：通过调节电源电流来调节所有线圈的温度，同时保持电流大于所有HTS磁场线圈中所有HTS材料的临界电流。

13.根据权利要求10或11所述的磁体系统，其中，所述温度控制系统包括用于每个HTS磁场线圈的加热器，并且其中，所述温度控制系统被配置为通过控制由每个加热器提供给相应线圈的热量来单独调节所述HTS磁场线圈中的每一个的温度。

14.一种运行高温超导HTS磁体系统的方法，所述HTS磁体系统包括多个HTS磁场线圈，所述多个HTS磁场线圈各自包括多个匝以及将匝电连接的电阻材料，使得能够经由所述电阻材料在各匝之间径向地共享电流，其中所述多个匝包括HTS材料，所述方法包括：

向所述HTS磁场线圈中的每个提供电流，使得所述HTS磁场线圈的传输电流大于所有HTS材料的临界电流；

通过控制所述HTS磁体系统中的所述HTS磁场线圈中的每一个的温度来控制所述HTS磁场线圈中的每一个的磁场强度。

15.根据权利要求14所述的方法，包括：

监测由所述HTS磁体系统产生的磁场；

调节每个HTS磁场线圈的温度，以实现期望的磁场分布。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，向所有HTS磁场线圈提供相同的电流，并且控制所述HTS磁场线圈中的每一个的温度包括通过调节所提供的电流来调节所有HTS磁场线圈的温度。

17.根据权利要求14或15中任一项所述的方法，其中，控制所述HTS磁场线圈中的每一个的温度包括控制提供给相应加热器的电力，所述加热器与每个HTS磁场线圈热接触。

18.一种确定高温超导HTS导体的临界表面的方法，所述方法包括：

将所述HTS导体形成为HTS磁场线圈，所述HTS磁场线圈包括：

多个匝，包括所述HTS导体；

电阻材料，将匝电连接，使得能够经由所述电阻材料在各匝之间径向地共享电流；

以比所有HTS导体的临界电流大的传输电流运行所述HTS磁场线圈；

在所述运行期间测量所述HTS磁场线圈上一个或多个点的温度；在所述运行期间测量由所述磁场线圈产生的磁场；

根据测量来确定所述HTS导体的临界表面。

19.根据权利要求18所述的方法，包括：确定所述HTS磁场线圈的样本的临界电流，并且使用所确定的临界电流来设置所述传输电流。

20.根据权利要求18或19所述的方法，其中，以比所有HTS导体的临界电流大的传输电流运行所述HTS磁场线圈包括以下之一：

将所述传输电流设置为比所述HTS导体的预期峰值临界电流大的值；或者

提升所述传输电流，直到观察到所测量的温度和磁场强度之间的单调关系，并且将在该点处的所述传输电流确定为大于所有HTS导体的临界电流。